钻井液工艺学3分析教案资料

1、钻井液工艺学3分析 稳定流动类型的变化稳定流动类型的变化 塞流塞流 Plug Flow-流体象塞子一样流动，流速为常数流体象塞子一样流动，流速为常数.稳定流稳定流 层流层流 Laminar Flow-流体分层运动。任意流层与相邻流流体分层运动。任意流层与相邻流 层方向相层方向相 同，流速不同。同，流速不同。 紊流紊流 Turbulent Flow-流体内形成无数小旋涡。任一定流体内形成无数小旋涡。任一定 点点的流速，其大小、方向都在进行着不规则的、连续的变化。的流速，其大小、方向都在进行着不规则的、连续的变化。静止静止塞流塞流层流层流紊流紊流液体流速增加液体流速增加 二、基本概念二、基本概念

2、1.1.剪切速率剪切速率( ( Shear rate) )与剪切应力与剪切应力( ( shear stress) )剪切速率剪切速率 Shear Rate 同义名称：速梯、剪率、切变率，流速梯度。同义名称：速梯、剪率、切变率，流速梯度。 常用符号：常用符号：、dv/dr 定定 义：义： = dv/dr = 垂直于流动方向上单位距离内的流速增量。垂直于流动方向上单位距离内的流速增量。 意意 义：义： dv/dr 增大，液流各层间的速度变化大；反之则小。增大，液流各层间的速度变化大；反之则小。 单单 位：位： = 速度速度/距离距离 = cm/s/cm = 1/s = s-1钻井液循环系统中各部位

3、剪切速率范围为钻井液循环系统中各部位剪切速率范围为: 沉砂罐处：沉砂罐处：1020s-1 环形空间：环形空间：50250s-1 钻杆内部：钻杆内部：1001000s-1 钻头水眼：钻头水眼：10007000s-1 剪切应力剪切应力 Shear Stress同义名称：切应力。同义名称：切应力。常用符号：常用符号：定定 义：义： = F/A = 液层单位面积上的剪切力。液层单位面积上的剪切力。意意 义：义： 越大，液流各层所受的作用力越大；反之，越越大，液流各层所受的作用力越大；反之，越小。小。 单单 位：单位：单 位：位： = F/A = dyn/cm2；Pa。 1Pa =1N/m2= 10dy

4、n/cm2 2.2.粘滞性粘滞性(viscosity)液体流动时具有抵抗剪切变形的物理性质。液体流动时具有抵抗剪切变形的物理性质。3.3.牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律（Newtonion Law):在一定的条件下，切力与速梯正比。在一定的条件下，切力与速梯正比。 = = 粘滞系数简称粘滞系数简称 4.4.液体类型液体类型: :(1)(1)根据牛顿内摩擦定律：根据牛顿内摩擦定律：牛顿液体牛顿液体和和非牛顿液体非牛顿液体(2)(2)根据流变曲线特征：根据流变曲线特征：11塑性液塑性液22假塑性液假塑性液33牛顿液牛顿液44膨胀液膨胀液三、钻井液流动特点及分析三、钻井液流动特点及分析 o1.牛顿液牛

5、顿液(Newtonion fluid)v无结构、均匀质点，如油类、清无结构、均匀质点，如油类、清水。水。v流变曲线为一条过原点直线流变曲线为一条过原点直线, ,符符合合=。v00、00施加很小的切应力就施加很小的切应力就发生流动。发生流动。为常数为常数, ,不随不随变化变化 =/=tg=/=tgabaabb 2.塑性液塑性液(Plastic fluid): (大多数钻井液大多数钻井液)v存在不流动区存在不流动区s s 、=0=0、00vs s静切力：反映静态结静切力：反映静态结构强度。构强度。v过度区过度区( (塞一层塞一层):):结构拆结构拆散散, ,不能被均匀剪切不能被均匀剪切. .层流区

6、层流区( (直线段直线段) ) 静静止止塞塞流流层层流流紊紊流流 s o剪切稀释性剪切稀释性(shear thinning )o原因原因：在速梯增大时，网架结构被拆散，结构粘度降：在速梯增大时，网架结构被拆散，结构粘度降低所致。低所致。o意义意义：具有剪切稀释性的钻井液，在速梯较低时有较：具有剪切稀释性的钻井液，在速梯较低时有较大的表观粘度，有利于悬浮和携带岩屑。而在速梯较大的表观粘度，有利于悬浮和携带岩屑。而在速梯较大时又有较小的表观粘度，这有利于降低流动阻力，大时又有较小的表观粘度，这有利于降低流动阻力，减少功率损耗。减少功率损耗。 3.假塑性液假塑性液(Pseudo-plastic fl

7、uid)（聚合物钻井液、油包水乳化钻井液为典型的假塑性液）（聚合物钻井液、油包水乳化钻井液为典型的假塑性液）v流变曲线为过原点的指流变曲线为过原点的指数曲线；数曲线；v施加很小切应力发生流施加很小切应力发生流动，无动，无s s或很小或很小; ;v具有剪切稀释性。具有剪切稀释性。abaabb 4.膨胀性液体膨胀性液体(dilatant fluid)l流变曲线为指数曲线流变曲线为指数曲线与假塑性液体相似，与假塑性液体相似，但凹凸方向相反；但凹凸方向相反；l粘度随速梯增加而增粘度随速梯增加而增加加剪切增稠剪切增稠。ababb o一、宾汉模式一、宾汉模式(Bingham 1919 ) o=0+p3-2

8、 钻井液流变模式钻井液流变模式 Drilling fluid rheological models evaluations0 1.1.p p- -塑性粘度塑性粘度PVPV(plastic viscosity ) Pa.s or mPa.s 意义意义: : p p=(-=(-0 0 )/)/ 反映了液相之间，固液之间和固相与固相之间反映了液相之间，固液之间和固相与固相之间 的摩擦力。的摩擦力。 影响影响: :固相性质及含量，液相性质。固相性质及含量，液相性质。 控制控制: :通常通过清除钻屑来降低。通常通过清除钻屑来降低。 2.0-动切应力动切应力YP (Yield Point) Pa. 意义意

9、义:用以表示钻井液流动时钻井液中粘土网架结构的强度用以表示钻井液流动时钻井液中粘土网架结构的强度 反映了钻井液携带和悬浮钻屑的能力。反映了钻井液携带和悬浮钻屑的能力。 影响影响:形成网架结构的因素，如形成网架结构的因素，如粘土含量粘土含量及及性质、聚合物、电性质、聚合物、电解质解质等。等。控制控制: 提高动切力提高动切力：加上述物质；：加上述物质；降低动切力降低动切力：加拆散结构的物质如：降粘剂、反絮凝剂等。：加拆散结构的物质如：降粘剂、反絮凝剂等。 3.视粘度表达式视粘度表达式: =0/+p =g +p 结构粘度定义结构粘度定义为为g =0/讨论：讨论：两种钻井液在某相同的速梯（剪切速率）下

10、视粘度两种钻井液在某相同的速梯（剪切速率）下视粘度相同，其悬浮携带钻屑的性能是否相同？相同，其悬浮携带钻屑的性能是否相同？ 由此表明采用由此表明采用宾汉模式宾汉模式的视粘度由的视粘度由结构粘度结构粘度和和塑性粘度塑性粘度构成，构成，其所占其所占的比例不同对钻井液的的比例不同对钻井液的流变性影响很大。流变性影响很大。二、幂律模式二、幂律模式(Bingham 1928) (Power law model ) 表达式：表达式：=kn （指数方程）（指数方程）1. n1. n流性指数流性指数意义意义：当当n n11 1 时为膨胀流体。时为膨胀流体。在大多数钻井液中，在大多数钻井液中，n1n0.5Rt

11、0.52. Vs2. Vs计算：计算：颗粒沉降流态颗粒沉降流态: :钻屑颗粒沉滑时钻屑颗粒沉滑时, ,边界液流所呈的状态边界液流所呈的状态. .颗粒雷诺数颗粒雷诺数-Re.p -Re.p (partical Reynolds Number ) 16.ReassfdVp 17)(32. 0afsssdV 18)()(706. 0333. 0667. 0ffsssdV 19)(9 . 2ffsssdV Re.p1 Re.p2000Re.p2000紊流沉降紊流沉降 基本数据基本数据计算环空流态计算环空流态式（式（1818）计算）计算VsVsRep2000Rep2000式（式（1919）计算）计算Vs

12、Vs式（式（1616）计算）计算RepRepRep1Rep1式（式（1717）计算）计算VsVs计算计算VtVt计算计算RtRt流态流态层流层流紊流紊流YNYN井眼净化计算机框图井眼净化计算机框图三钻井液密度的计算三钻井液密度的计算 o钻井液密度钻井液密度( ( Density) )Lpff100静态测量静态测量 LPDCEf10.当量循环泥浆密度当量循环泥浆密度（E.C.DEquivalent Circulating Density）由于钻井液循环流动所产生附加压力的相当密度。由于钻井液循环流动所产生附加压力的相当密度。o单位：单位：E.C.D、f kg/m3；PPa；LmLPDCEf100

13、.o单位：单位：E.C.D、f g/cm3；PMPa；Lm 四、钻井液流变性与井内压力激动四、钻井液流变性与井内压力激动o钻井液的井内压力激动钻井液的井内压力激动 起下钻和钻井过程中，由于钻柱的上下移动、起下钻和钻井过程中，由于钻柱的上下移动、泥浆泵的开动等原因，使井内液柱压力产生突泥浆泵的开动等原因，使井内液柱压力产生突然变化（升高或降低），给井内增加一个附加然变化（升高或降低），给井内增加一个附加压力（正值或负值）的现象压力（正值或负值）的现象。n影响激动压力的因素：影响激动压力的因素：o钻柱运动速度钻柱运动速度o钻头及钻柱的泥包程度钻头及钻柱的泥包程度o环形空间的间隙、井深环形空间的间隙

14、、井深o泥浆性能（粘度、切力）泥浆性能（粘度、切力） o下钻下钻: : 当钻头在井内向下运动时，钻井液被推动当钻头在井内向下运动时，钻井液被推动着向上流动。这时钻头处的压力等于钻头以上钻着向上流动。这时钻头处的压力等于钻头以上钻井液的流动阻力与该段钻井液的静液柱压力。超井液的流动阻力与该段钻井液的静液柱压力。超出静液柱压力的部分被称为出静液柱压力的部分被称为“激动激动”。这是。这是造成造成井漏的原因之一井漏的原因之一。o起钻起钻: : 相反，当钻头在井内向上运动时，钻井液相反，当钻头在井内向上运动时，钻井液向下流动。这时钻头处的压力等于钻头以上钻井向下流动。这时钻头处的压力等于钻头以上钻井液的

15、静液柱压力减去该段钻井液的流动阻力。低液的静液柱压力减去该段钻井液的流动阻力。低于静液柱压力的部分被称为于静液柱压力的部分被称为“抽吸压力抽吸压力”。这是。这是诱发井喷、井塌的原因之一诱发井喷、井塌的原因之一。o主要控制措施：主要控制措施：控制起下钻速度控制起下钻速度 开泵时的压力激动开泵时的压力激动: 由于钻井液具有触变性，停止循环由于钻井液具有触变性，停止循环后，钻井液中的粘土颗粒随停泵时间后，钻井液中的粘土颗粒随停泵时间增加，被拆散的网架结构恢复强度增增加，被拆散的网架结构恢复强度增加，静切力升高，开泵泵压将超过正加，静切力升高，开泵泵压将超过正常循环所需的泵压，造成压力激动。常循环所需的泵压，造成压力激动。 主要控制措施：主要控制措施：开泵操作平稳；开泵操作平稳； Q Q P Ps s P P0 0 P P1 1 P P2 2M M1 1M M2 2PsPs、P P0 0、分别为克服静、动切力所分别为克服静、动切力所需压力需压力；P P1 1、P P2 2分别为钻井液静止分别为钻井液静止若干时间之后所需压力若干时间之后所需压力。钻井液流变性的一般要求钻井液流变性的一般要求 o对于非加重钻井液：对于非加重钻井液： 塑